Een team onder leiding van wetenschappers van de Universiteit van Washington heeft een 3D-geprint metamateriaal ontworpen en getest dat licht kan manipuleren met precisie op nanoschaal. Zoals ze rapporteren in een paper gepubliceerd op 4 oktober in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , hun ontworpen optische element focust het licht op discrete punten in een 3D spiraalvormig patroon.

De ontwerpprincipes en experimentele bevindingen van het team tonen aan dat het mogelijk is om metamateriaalapparaten te modelleren en te construeren die optische velden nauwkeurig kunnen manipuleren met een hoge ruimtelijke resolutie in drie dimensies. Hoewel het team een ​​spiraalvormig patroon koos - een spiraalvormige helix - voor hun optische element om het licht te concentreren, hun benadering zou kunnen worden gebruikt om optische elementen te ontwerpen die licht in andere patronen controleren en focussen.

Apparaten met dit niveau van nauwkeurige controle over licht kunnen niet alleen worden gebruikt om de optische elementen van vandaag te miniaturiseren, zoals lenzen of retroreflectoren, maar ook om nieuwe rassen te realiseren. In aanvulling, het ontwerpen van optische velden in drie dimensies zou de creatie van ultracompacte dieptesensoren voor autonoom transport mogelijk maken, evenals optische elementen voor displays en sensoren in virtual- of augmented-reality-headsets.

"Dit gerapporteerde apparaat heeft echt geen klassieke analoog in refractieve optica - de optica die we in ons dagelijks leven tegenkomen, " zei de corresponderende auteur Arka Majumdar, een UW-assistent-professor elektrische en computertechniek en natuurkunde, en faculteitslid bij het UW Institute for Nano-Engineered Systems en het Institute for Molecular &Engineering Sciences. "Niemand heeft eerder zo'n apparaat gemaakt met deze reeks mogelijkheden."

Het team, waaronder onderzoekers van het Air Force Research Laboratory en het University of Dayton Research Institute, koos een minder gebruikte benadering op het gebied van optische metamaterialen om het optische element te ontwerpen:inverse design. Met behulp van inverse ontwerp, ze begonnen met het type optisch veldprofiel dat ze wilden genereren - acht gefocusseerde lichtpunten in een spiraalvormig patroon - en ontwierpen een metamateriaaloppervlak dat dat patroon zou creëren.

"We weten niet altijd intuïtief de juiste structuur van een optisch element gegeven een specifieke functionaliteit, "zei Majumdar. "Hier komt het inverse ontwerp om de hoek kijken:je laat het algoritme de optica ontwerpen."

Hoewel deze benadering eenvoudig lijkt en de nadelen van proefondervindelijke ontwerpmethoden vermijdt, omgekeerd ontwerp wordt niet veel gebruikt voor optisch actieve metamaterialen met een groot oppervlak omdat het een groot aantal simulaties vereist, het maken van omgekeerd ontwerp rekenintensief.

Hier, het team heeft deze valkuil vermeden dankzij een inzicht van Alan Zhan, hoofdauteur op het papier, die onlangs is afgestudeerd aan de UW met een doctoraat in de natuurkunde. Zhan realiseerde zich dat het team de Mie-verstrooiingstheorie kon gebruiken om het optische element te ontwerpen. Mie-verstrooiing beschrijft hoe lichtgolven van een bepaalde golflengte worden verstrooid door bollen of cilinders die qua grootte vergelijkbaar zijn met de optische golflengte. De Mie-verstrooiingstheorie legt uit hoe metalen nanodeeltjes in glas-in-lood bepaalde kerkramen hun gewaagde kleuren kunnen geven, en hoe andere glas-in-loodartefacten van kleur veranderen in verschillende golflengten van licht, volgens Zhan.

"Onze implementatie van de Mie-verstrooiingstheorie is specifiek voor bepaalde vormen - bollen - wat betekende dat we die vormen moesten opnemen in het ontwerp van het optische element, "zei Zhan. "Maar, vertrouwen op de Mie-verstrooiingstheorie vereenvoudigde het ontwerp- en simulatieproces aanzienlijk omdat we heel specifiek konden maken, zeer nauwkeurige berekeningen over de eigenschappen van licht wanneer het in wisselwerking staat met het optische element."

Hun benadering zou kunnen worden gebruikt om verschillende geometrieën op te nemen, zoals cilinders en ellipsoïden.

Het optische element dat het team heeft ontworpen, is in wezen een oppervlak bedekt met duizenden kleine bolletjes van verschillende groottes, gerangschikt in een periodiek vierkant rooster. Het gebruik van bollen vereenvoudigde het ontwerp, en het team gebruikte een in de handel verkrijgbare 3D-printer om twee prototype optische elementen te fabriceren - de grootste van de twee met zijden van slechts 0,02 centimeter lang - in de Washington Nanofabrication Facility op de UW-campus. De optische elementen werden 3D-geprint uit een ultraviolet epoxy op glazen oppervlakken. Eén element is ontworpen om het licht te focussen op 1, 550 nanometer, de andere op 3, 000 nanometer.

De onderzoekers visualiseerden de optische elementen onder een microscoop om te zien hoe goed ze presteerden zoals ontworpen - focusserend licht van ofwel 1, 550 of 3, 000 nanometer op acht specifieke punten langs een 3D spiraalvormig patroon. Onder de microscoop, de meeste gerichte lichtpunten bevonden zich op de posities die waren voorspeld door de theoretische simulaties van het team. Bijvoorbeeld, voor de 1, 550 nanometer golflengteapparaat, zes van de acht brandpunten bevonden zich in de voorspelde positie. De overige twee vertoonden slechts kleine afwijkingen.

Met de hoge prestaties van hun prototypes, het team wil het ontwerpproces verbeteren om de achtergrondniveaus van licht te verminderen en de nauwkeurigheid van de plaatsing van de brandpunten te verbeteren, en om andere ontwerpelementen op te nemen die compatibel zijn met de Mie-verstrooiingstheorie.

"Nu we hebben laten zien dat de basisontwerpprincipes werken, er zijn veel richtingen die we kunnen gaan met dit niveau van precisie in fabricage, ' zei Majumdar.

Een bijzonder veelbelovende richting is om verder te gaan dan een enkel oppervlak om een ​​echt volume te creëren, 3D metamateriaal.

"Met 3D-printen kunnen we een stapel van deze oppervlakken maken, wat voorheen niet mogelijk was, ' zei Majumdar.